NL7907788A

NL7907788A - SIGNAL PROCESSING DEVICE.

Info

Publication number: NL7907788A
Application number: NL7907788A
Authority: NL
Original assignee: Secr Defence Brit
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1979-10-23
Publication date: 1980-04-29
Also published as: CA1139376A; MX147123A; US4288764A; NO149011C; NO149011B; NO793394L

Description

N.O. 28.385 4.-N.O. 28,385 4.-

SignaalverwerkingsinriohtingSignal processing equipment

De uitvinding heeft betrekking op een signaalverwerkings-inrichting.The invention relates to a signal processing device.

Zeer recent zijn er geïntegreerde elektronische inrichtingen ontwikkeld waarin een analoog monster van een ingangssignaal wordt 5 overgedragen van de ene trap van de inrichting naar een aangrenzende . trap in responsie op synchroon aan alle trappen van de inrichting toegevoerde klokpulsen. Door een geschikte keuze van de signalen die aan de klokpulsaansluitingen van de inrichting worden toegevoerd vindt deze overdracht in een richting plaats en gedraagt de inrich-10 ting zich als een bemonsterende analoge vertragingslijn. Het interne mechanisme van de monsteroverdracht heeft geresulteerd in de benaming "ladingsgekoppelde inrichting" (Charge Coupled Device CCD) voor deze inrichtingen.Very recently, integrated electronic devices have been developed in which an analog sample of an input signal is transferred from one stage of the device to an adjacent one. stage in response to clock pulses applied synchronously to all stages of the device. By appropriate selection of the signals applied to the clock pulse terminals of the device, this transfer is unidirectional and the device behaves like a sampling analog delay line. The internal mechanism of the sample transfer has resulted in the designation "Charge Coupled Device CCD" for these devices.

Een inrichting met meerdere ingangen kan uitgaande van dit 15 principe worden opgebouwd door het aanbrengen van een afzonderlijke ingangsaansluiting bij elke trap van de inrichting. Een signaal-monster van de eerste ingangsaansluiting ondervindt een vertraging in één trap voordat het signaal wordt opgeteld bij het monster afkomstig van de tweede ingangsaansluiting. Deze som wordt op soortge-20 lijke wijze vertraagd voordat ze wordt opgeteld bij het monster aan de derde ingangsaansluiting. Dit mechanisme herhaalt zich in de gehele inrichting resulterend in een enkel uitgangssignaal, welk uitgangssignaal een represemtatie vormt van de som van de ingangs-monsters die op verschillende tijdstippen in de voorafgaande periode 25 via klokpulsen in de inrichting zijn ingevoerd. Het aantal vertragende trappen in de signaalwegen vanaf elke ingangsaansluiting varieert dus lineair langs de inrichting. Een inrichting van dit type staat in de stand der techniek bekend als een tijdvertragings- en integra-tie-inrichting (Time Delay and Integrate device TDl).A device with several inputs can be built up on the basis of this principle by arranging a separate input connection at each stage of the device. A signal sample from the first input terminal experiences a one-stage delay before the signal is added to the sample from the second input terminal. This sum is similarly delayed before it is added to the sample at the third input terminal. This mechanism repeats throughout the device resulting in a single output signal, which output represents the sum of the input samples input to the device via clock pulses at various times in the previous period. Thus, the number of delay stages in the signal paths from each input terminal varies linearly along the device. A device of this type is known in the art as a Time Delay and Integrate device TD1.

30 De bruikbaarheid van dergelijke TDI-inrichtingen is in velerlei toepassingen onderzocht met inbegrip van de ontvangst van een aantal signalen afkomstig van een array van op afstand van elkaar geplaatste omvormers, zoals bijvoorbeeld kan worden toegepast bij SONAR.The utility of such TDI devices has been explored in many applications, including the reception of a number of signals from an array of spaced-apart transducers, as may be used, for example, at SONAR.

Bij SONAR wordt een puls uitgezonden door een onder-water aanwezige omvormer en reflecties van de puls worden door middel van een geschikt gepositioneerde array van ontvangst omvormers ontvangen.At SONAR, a pulse is emitted from an underwater transducer and reflections from the pulse are received through an appropriately positioned array of receive transducers.

Deze signalen worden verwerkt en kunnen worden geïnterpreteerd om zodoende informatie te verkrijgen omtrent de omgeving rond de omvor- 7907788 Γ * . 2 · mers. In het algemeen wordt de piekresponsie van de ontvanger gezwaaid over een sector zodat een maximale bedekking wordt bereikt, maar er kunnen doelen verloren gaan indien de aftastsnelheid te laag is. Theoretisch moet de sector ten minste één keer voor elke uitge-5 zonden puls worden afgetast wil er geen doel verloren gaan.These signals are processed and can be interpreted in order to obtain information about the environment around the inverter 7907788 Γ *. 2 · mers. Generally, the receiver's peak response is swung across a sector to achieve maximum coverage, but targets may be lost if the scan rate is too slow. Theoretically, the sector must be scanned at least once for every 5 transmitted pulse if no target is to be lost.

Het is gebleken dat de signalen afkomstig van een lineaire array van omvormers met voordeel kunnen worden toegevoerd aan de ingangsaansluitingen van een TDI-richting. Als de tijdvertraging tussen de ontvangst van een bepaald golffront dat aankomt onder 10 een bepaalde invalshoek bij de aangrenzende omvormers gelijk is aan de klokpulsperiode van de TDI dan vindt er een constructieve sommering plaats van de inkomende signalen in elke trap van de inrichting. Op deze wijze wordt de waarnemingshoek van de array van omvormers bepaald door de klokpulsfrequentie van de TDI. Als de periode van de 15 klokpulsen van de TDI wordt gevarieerd dan kunnen verschillende hoeken worden onderzocht en kan de piekresponsie van de ontvanger worden gezwaaid teneinde een sector ,af te tasten. Als de pulsbreedte voldoende kort wordt gemaakt om een goede afstandsresolutie te verkrijgen dan kan echter de hoge aftastsnelheid die dan vereist is 20 niet worden bereikt zonder ernstige vervorming in het ontvangen bundelpatroon. Een volledige dekking kan alleen worden verkregen als uitgegaan wordt van een zeer beperkte sector of gewekt wordt met een aantal parallelle TDI-inrichtingen die elk worden gestuurd met klokpulsen van een verschillende frequentie teneinde een ver-25 schillende richting te bestrijken.It has been found that the signals from a linear array of transducers can be advantageously fed to the input terminals of a TDI direction. If the time delay between the reception of a particular wave front arriving at a certain angle of attack at the adjacent transducers is equal to the clock pulse period of the TDI, then a constructive summing of the incoming signals takes place in each stage of the device. In this way, the angle of observation of the array of transducers is determined by the clock pulse frequency of the TDI. If the period of the 15 clock pulses of the TDI is varied, different angles can be examined and the peak response of the receiver can be swung to scan a sector. However, if the pulse width is made sufficiently short to obtain good distance resolution, then the high scanning speed required then cannot be achieved without severe distortion in the received beam pattern. Full coverage can only be obtained if a very limited sector is assumed or aroused with a number of parallel TDI devices each controlled with clock pulses of different frequency to cover a different direction.

Volgens de uitvinding wordt nu een signaal·verwerkingsinrichting verschaft met ingangsaansluitingen voor een ontvangst van een aantal signalen en voorzien van vertragingstrappen in de weg van de signaal-monsters van elke ingangsaansluiting in een dusdanige configuratie 50 dat signaalmonsters van de ene trap naar de volgende kunnen worden overgedragen in responsie op een aan een klokpulsaansluiting aangeboden klokpulssignaal, welk klokpulssignaal een periode bezit die lineair in de tijd met een voorafbepaalde snelheid varieert, waarbij verder het aantal trappen in de weg van de signalen vanaf elke 35 ingangsaansluiting wordt bepaald in overeenstemming mefevoorafbepaalde functie van de wijzigingssnelheid van de klokpulsperiode.According to the invention, a signal processing device is now provided with input terminals for receiving a plurality of signals and including delay stages in the way of the signal samples from each input terminal in a configuration 50 such that signal samples can be passed from one stage to the next transmitted in response to a clock pulse signal applied to a clock pulse terminal, said clock pulse signal having a period which varies linearly in time at a predetermined rate, further determining the number of steps in the path of the signals from each input terminal in accordance with the predetermined function of the rate of change of the clock pulse period.

In het volgende zal een signaalverwerkingslnrichting volgens de uitvinding worden aangeduid als een niet uniforme tijdvertragings-en integratie-inrichting, kortweg aangeduid als een NUTDI-inrichting 40 (Non-üniform Time Delay and Integrate device).In the following, a signal processing apparatus according to the invention will be referred to as a non-uniform time delay and integration device, briefly referred to as a NUTDI device 40 (Non-uniform Time Delay and Integrate device).

7907788 5 t7907788 5 t

Voor een "beter begrip van de kenmerken en voordelen van de uitvinding zullen in het volgende uitvoeringsvóórheelden ervan worden beschreven aan de hand van de begeleidende figuren.For a better understanding of the features and advantages of the invention, the following embodiments will be described with reference to the accompanying figures.

3?ig. 1 representeert een NUTDI-inrichting.3ig. 1 represents a NUTDI device.

5 Jig. 2 representeert een NÏÏTDI-inriohting, een tijdwiginrich- ting en ontvangende omvormers bestemd voor het aftasten van een secyor.5 Jig. 2 represents a NITTI device, a timing device and receiving transducers intended to scan a secyor.

Een NUTDl 10 volgens de uitvinding (fig. 1) ontvangt signalen op een aantal ingangen T^, T^, ...... 1^. Signalen van elke ingang 10 worden in volgorde toegevoerd aan de respectievelijke ingangsaan-sluitingen van de NÏÏTDI 10. De vertraging en het sommeren van de signaalmonsters is schematisch in fig. 1 aangegeven, waarbij fig. 1 een representatie geeft van een mogelijke elektrodestructuur van een MIDI ladingsgekoppelde inrichting. Vertragingen van één puls-15 periode worden gerepresenteerd door blokken met het inschrift D in fig. 1 en een sommering in de inrichting wordt aangegeven met blokken met het inschrift +.A NUTD1 10 according to the invention (fig. 1) receives signals at a number of inputs T ^, T ^, ...... 1 ^. Signals from each input 10 are applied in sequence to the respective input terminals of the NITTI 10. The delay and summing of the signal samples is shown schematically in Figure 1, where Figure 1 represents a possible electrode structure of a MIDI charge-coupled device. Delays of one pulse-15 period are represented by blocks labeled D in Figure 1, and a summation in the device is indicated by blocks labeled +.

Het aantal vertragende trappen in elke signaalweg wordt bepaald aan de hand van een voorafbepaalde functie van de veranderings-20 snelheid van de klokpulssignaalperiode. In een uitvoeringsvorm van dejuitvinding wordt het aantal vertragende trappen x^ in de weg van signalen vanaf de n- de ingang bepaald door de functies I _ l0Si< 1 + r) - rjn - 1) { 25 n log (1 + r) waarin r de veranderingssnelheid van de klokpulsperiode is.The number of delay stages in each signal path is determined by a predetermined function of the rate of change of the clock pulse signal period. In one embodiment of the invention, the number of delay stages x ^ in the path of signals from the nth input is determined by the functions I_10Si <1 + r) - rjn - 1) {25 n log (1 + r) where r is the rate of change of the clock pulse period.

In het algemeen zullen waarden voor x^ bepaald aan de hand van de bovenstaande formule geen gehele getallen zijn. Voor bepaalde 30 toepassingen kan een correctie naar de eerstvolgende gehele waarde voldoende zijn. Indien hogere eisen worden gesteld dan kan de benadering van xq worden verbeterd door gebruik te maken van een minimum verschil van meer dan één in het aantal vertragingstrappen in de weg van de signalen vanaf de aangrenzende ingangsaansluitingen en door 35 gebruik te maken van een klokpuls met een corresponderend hogere frequentie. Het aantal vertragingstrappen xn in de weg van de signalen vanaf de n- de ingang kan dan worden bepaald aan de hand van de formule: 7907788 “ 4 1 - + (1+ r)a -s χ = l0g\(l+r)g "(n-1)~[(lxr)a-l]j n · log (1 + r) + 1 waarin a het gewenste aantal minimum vetragingstrap tussen de in-gangsaansluitingen is en r de veranderingssenlheid vande klokpuls-periode.Generally, values for x ^ determined from the above formula will not be integers. For certain applications, a correction to the next integer value may be sufficient. If higher demands are made then the approximation of xq can be improved by using a minimum difference of more than one in the number of delay stages in the way of the signals from the adjacent input terminals and by using a clock pulse with a correspondingly higher frequency. The number of delay stages xn in the path of the signals from the nth input can then be determined by the formula: 7907788 “4 1 - + (1+ r) a -s χ = l0g \ (l + r) g "(n-1) ~ [(lxr) al] jn · log (1 + r) + 1 where a is the desired number of minimum delay between input terminals and r is the rate of change of the clock pulse period.

Teneinde een unidirectionele overdracht van signaalmonsters 5 binnen een ladingsgekoppelde inrichting CCD te bereiken is het uit de stand der techniek bekend om gebruik te maken van klokpulsen in drie fasen. De klokpulsfasen worden afgeleid van een hoofd-oscillator die met drie keer de frequentie van de klokpulsfasen genereert. Elke vetragingstrap van de inrichting is voorzien van 10 een elektrode verbonden met de klokpulsfase en door het juist positioneren van deze elektroden wordt een unidirectionele overdracht r bereikt.In order to achieve a unidirectional transfer of signal samples 5 within a charge-coupled device CCD, it is known in the art to use three-phase clock pulses. The clock pulse phases are derived from a main oscillator that generates three times the frequency of the clock pulse phases. Each delay stage of the device is provided with an electrode connected to the clock pulse phase and unidirectional transfer r is achieved by correctly positioning these electrodes.

In een HÏÏTDI-inrichting waarin gebruik wordt gemaakt van een multifaseklokpuls kan de benadering van x^ zoals in het bovenstaande 15 werd gegeven nog verder worden verbeterd door elk signaal te bemonsteren op eert geschikt gekozen klokpulsfase. Dit kan worden bereikt door het aanbrengen van extra elektroden voor de geschikte fase bij elke ingangsaansluiting van de inrichting. Op deze wijze worden benaderingsfouten begrensd tot 1 /6 van de faseklokpulsperiode voor 20 een driefasige klokpulsconfiguratie.In a HIID device using a multiphase clock pulse, the approach to x ^ as given above can be further improved by sampling each signal at a suitably selected clock pulse phase. This can be achieved by providing additional electrodes for the appropriate phase at each input terminal of the device. In this way, approximate errors are limited to 1/6 of the phase clock pulse period for a three phase clock pulse configuration.

Het zal voor de deskundige duidelijk zijn dat bij gebruik van de NÏÏTDI-inrichting de klokpulsperiode periodiek kan worden gewijzigd teneinde een aftasting te verkrijgen. Het zal verder duidelijk zijn dat de veranderingssnelheid van de klokpulsperiode groot 25 genoeg kan zijn om bij kenmerkende SONAE-frequenties binnen een zend-pulsperiode af te tasten zonder aanmerkelijke vervorming van de bundelpatronen zoals in de stand der techniek optreedt. Als voorbeeld zal nu de werking van een. TDI volgens de uitvinding worden beschreven aan de hand van een kenmerkende toepassing.It will be apparent to those skilled in the art that when using the NITTI device, the clock pulse period may be periodically changed to obtain a scan. It will further be appreciated that the rate of change of the clock pulse period may be large enough to scan at typical SONAE frequencies within a transmit pulse period without significant distortion of the beam patterns as occurs in the prior art. As an example, the operation of a. TDI according to the invention are described on the basis of a typical application.

50 Een ÏÏUTDI-inrichting volgens de uitvinding, aangeduid met 20 in fig. 2, ontvangt signalen op de ingangsaansluitingen T^, .....,Τ^ van een array van SONAE-omvormers , .....,Sn· Een klokpulssignaal waarvan de periode lineair met de tijd varieert wordt aangeboden aan de klokpulsaansluiting 21. De snelheid waarmee deze klokpuls-55 periode varieert wordt zodanig gekozen dat een sector van 50° kan worden afgetast met een bundelbreedte van 1° binnen elke uitgezonden 7907788 5 ' , > SOÏTAH-pulse. Het uitgangssignaal van de inrichting kan worden afgenomen van de uitgangsaansluiting 26.50 An IUTDI device according to the invention, indicated by 20 in Fig. 2, receives signals at the input terminals T ^, ....., Τ ^ of an array of SONAE converters, ....., Sn · A clock pulse signal whose period varies linearly with time is applied to the clock pulse terminal 21. The rate at which this clock pulse-55 period varies is chosen such that a sector of 50 ° can be scanned with a beam width of 1 ° within each transmitted 7907788 5 ', > SOITAH pulse. The output signal of the device can be taken from the output terminal 26.

Het zal duidelijk zijn dat er rekening gehouden moet worden met een opbouwperiode waarin het uitgangssignaal van de inrichting 20 5 nog niet op de juiste wijze is samengesteld. Deze opbouwperiode correspondeert met de tijd die een signaalmonster nodig heeft om het totale aantal vertragingstrappen te doorlopen. Teneinde deze opbouwperiode te minimaliseren wordt het klokpulssignaal gezwaaid van korte perioden naar lange perioden.Ook kan het gebied van de klok-10 pulsperioden zodanig worden gekozen dat niet juist samengestelde uitgangssignalen betrekking hebben op hoeken buiten de gewenste sector.It will be clear that a build-up period must be taken into account in which the output signal of the device 20 has not yet been correctly composed. This build-up period corresponds to the time it takes for a signal sample to complete the total number of delay stages. In order to minimize this build-up period, the clock pulse signal is swung from short periods to long periods. Also, the range of clock-10 pulse periods may be chosen so that incorrectly composed output signals relate to angles outside the desired sector.

Een korte klokpulsperiode resulteert in een afvraging onder een hoek dichtbij de richting loodrecht op het vlak van de omvormers (0°). Het zal duidelijk zijn dat er voor elke praktische richting 15 een minimale bedrijfsklokpulsperiode bestaat resulterend in een minimum waaraemingshoek.A short clock pulse period results in an interrogation at an angle close to the direction perpendicular to the transducer plane (0 °). It will be appreciated that for each practical direction 15 there is a minimum operating clock pulse period resulting in a minimum detection angle.

Bij het gebruik van alleen de inrichting 20 kan dus slechts een sector 22 aan één zijde van de 0°-richting worden bestreken.Thus, when only the device 20 is used, only one sector 22 can be covered on one side of the 0 ° direction.

Teneinde een sector 23 af te tasten, waarin deze zo 0°-richting 20 ligt wordt een lineaire vertragingsweg 24 toegepast. Be vertragings-weg bestaat bij voorkeur uit een reeks van n parallel geschakelde vertragingslijnen met stapsgewijze variërende lengte waaraan een klokpuls met constante periode synchroon wordt toegevoerd via de ingangsaansluiting 25- Een signaal conditioneringsschakeling 27 25 is aangebracht tussen de omvormers , S2, ..... Sn en de tijd- vertragingsweg 24.In order to scan a sector 23 in which it is located in this 0 ° direction 20, a linear delay path 24 is used. The delay path preferably consists of a series of n parallel connected delay lines of stepwise varying length to which a clock pulse of constant period is applied synchronously via the input terminal 25- A signal conditioning circuit 27 is provided between the inverters, S2, ... Sn and the time delay path 24.

Een cumputer-simulatie heeft aangetoond dat nagenoeg omgevormde bundelpatronen kunnen worden verkregen bij een aftastsnelheid van 8 kHz voor een uit 32 elementen bestaande array van omvormers die 30 een sector van 30° aftast met een bundelbreedte van 1° bij een SONAH-frequentie van 500 kHz.A cumputer simulation has shown that nearly transformed beam patterns can be obtained at a scan rate of 8 kHz for a 32-element array of transducers scanning a sector of 30 ° with a beam width of 1 ° at a SONAH frequency of 500 kHz .

7oor een stelsel waaraan zeer hoge eisen worden gesteld kan de overblijvende vorming worden verminderd door een amplitude-weging uit te voeren van de bij elke sommatie bemonsterde signalen en verder 35 kan een fasecompensatie worden uitgevoerd om benaderingsfouten voor de 0°-richting te elimineren.For a very demanding system, the residual formation can be reduced by performing an amplitude weighting of the signals sampled at each summation, and further, a phase compensation can be performed to eliminate approximation errors for the 0 ° direction.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding eveneens toegepast kan worden bij passieve SONAH, waarin een sector op straling wordt afgetast binnen een voorafbepaalde bandbreedte. In dat geval wordt 40 de aftastsnelheid (en daarmee de variatiesnelheid van de TBI-klok- 79 0 7 7 8·? . . 6It will be clear that the invention can also be applied to passive SONAH, in which a sector is scanned for radiation within a predetermined bandwidth. In that case 40 becomes the scan rate (and thus the rate of variation of the TBI clock). 79 0 7 7 8.

Aa

pulsperiode) bepaald door de inverse van de vereiste bandbreedte.pulse period) determined by the inverse of the required bandwidth.

Het'zal verder duidelijk zijn dat ÏTUiEDI volgens de uitvinding kan worden toegepast voor het verwerken van signalen van een.It will further be clear that the invention according to the invention can be used for processing signals from one.

2-dimensionale array van omvormers.2-dimensional array of inverters.

5 Ook zal het voor de deskundige duidelijk zijn dat een signaal- verwerkingsinrichting volgens de uitvinding ook kan worden geconstrueerd voor gebruik bij hogere frequenties, zoals bijvoorbeeld voor RADAR-toepassingen en voor ultrasone aftastwerkwijzen.It will also be clear to the skilled person that a signal processing device according to the invention can also be constructed for use at higher frequencies, such as for example for RADAR applications and for ultrasonic scanning methods.

79077887907788

Claims

7 '. * CONCLUSIONS

1. Signal processing device, characterized by input terminals for receiving a plurality of signals and delay stages in the way of the signal samples from each input terminal in such a configuration that signal samples can be transferred from one stage to the next in response to a clock pulse signal sent to a clock pulse input is provided, which clock pulse signal has a clock pulse period which varies linearly with time at a predetermined rate, the number of steps in the way of the signals from each input terminal being determined in accordance with a predetermined function of the rate of change of the clock pulse period.

Signal processing device according to claim 1, characterized in that the predetermined function isi log (1 + r) wherein xn is the number of delay stages in the way of the 2q signals from the nth input, and r is the rate of change of the clock pulse period is.

3. A signal processing apparatus according to claim 1, characterized in that there is a minimum difference of more than one in the number of delay stages in the way of the signals from adjacent input terminals.

Signal processing device according to claim 5, characterized in that the predetermined function is: 50 ** = 1θδί (ΐ + rΓ - [n - lj | _ (1 + r) u -1 j} + 1 log (1 + r ) where x ^ is the number of delay stages in the way of the signals from the nth input, r is the rate of change of the clock pulse period, and α is the desired minimum number of delay stages between the input terminals.

Signal processing device according to any one of the preceding claims, characterized in that multi-phase clock pulse signals are used, in which additional electrodes for the appropriate phase are added to each input terminal.

Signal processing device according to any one of the preceding claims, characterized in that the signals are supplied to the input terminals via a linear delay path. 79 077 88